CN103036277A - 一种动力和储能电池组的均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种动力和储能电池组的均衡电路，包括反激变压器T、第一功率开关S0、两个第二功率开关S1和S2、多个第三功率开关S3，S4…Sn和三个二极管D1，D2，D3，S0源极连接T的初级非同名端；S1的源极连接T的次级同名端，漏极连接S3，S4…Sn的源极；S2的漏极连接T的次级非同名端；D1的阴极与S3，S4…Sn的源极连接，D1的阳极与T的次级非同名端连接；D2的阴极连接T的次级同名端；D3的阳极与T的初级同名端连接，阴极与初级非同名端连接；T的初级同名端用于连接电池组的负极。上述均衡电路的电路简单且可以通过控制功率开关的开关来均衡电池组中任意单体电池。

Description

一种动力和储能电池组的均衡电路

技术领域

本发明涉及一种充放电的主动均衡电路，特别是涉及一种动力和储能电池组的均衡电路。

背景技术

新能源汽车和储能电池中的电能通常储存在由Li、Li-ion、NiMH、镍镉电池、镍氢电池或者其它可充电的大容量电池组成的电池组中，单体电池容量和内阻的不均衡，电池组在使用的过程中，部分单体电池放电过快造成深度放电、部分电池的容量没有得到充分的使用；充电时就会有部分电池过充、部分电池充不满，连续的充放电循环导致单体电池的不一致性进行恶性循环，这样会导致电池的容量加速衰减，缩短电池组的使用时间。

为了解决上述问题，传统的做法便是增加一个均衡电路，主要有以下两种方案：

一种是三单体之间直接进行能量双向传递的均衡电路。该电路的不足之处：只能够实现三个单体间的直接双向能量传递，对于多个单体间的能量传递要借助于中间单体，均衡电路需要采用级联的形式，无法实现直接双向能量的传递，电路结构复杂，实现困难。

另一种是多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其采用反激变压器形式的DC-DC电路实现相邻两单体之间的均衡。不足之处：能够实现相邻单体两两之间的直接均衡，需要借助于中间单体才能实现不相邻单体间的均衡，无法实现不相邻单体之间的直接双向能量传递，N个单体电池需要N个反激变压器的均衡电路，电路复杂，控制方案复杂，电路体积大，成本高，实现比较困难。

目前，电池组大都配备了均衡电路，主要采用了能量耗尽型和非能量耗尽型的均衡电路，部分电路采用储能元件实现非能量耗尽方式的均衡电路，只能实现相邻电池两两之间的直接双向能量传递，不相邻单体之间的均衡需要借助于中间单体进行二次均衡，均衡过程需要经过多次能量转移，均衡时间长，效率低，不适用电池数量多的电池组，控制电路复杂、成本高、无法实现任意两个不相邻单体间的直接双向能量的传递。

发明内容

基于此，有必要提供一种电路简单且可实现任意两个单体之间的均衡的电池组的均衡电路。

一种动力和储能电池组的均衡电路，包括反激变压器T、第一功率开关S0、两个第二功率开关S1和S2、多个第三功率开关S3，S4…Sn、三个二极管D1，D2，D3，

二极管D3的阴极和阳极分别连接变压器T的初级非同名端和初级同名端；

第一功率开关S0的源极连接变压器T的初级非同名端，漏极用于连接电池组的正极；

第二功率开关S1的源极连接变压器T的次级同名端，漏极以及二极管D1的阴极与多个第三功率开关S3，S4…Sn的源极连接；第二功率开关S2的漏极连接变压器T的次级非同名端，源极用于连接电池组中各个单体电池的负极；第三功率开关S3，S4…Sn漏极用于分别连接电池组中各个单体电池的正极；二极管D1的阳极与变压器T的次级非同名端连接；

二极管D2的阴极连接变压器T的次级同名端，二极管D2的阳极用于连接电池组中各个单体电池的负极；

变压器T的初级同名端用于连接电池组的负极。

其中一个实施例中，所述第一功率开关S0、两个第二功率开关S1和S2和多个第三功率开关S3，S4…Sn的栅极用于与外部驱动电路连接。

其中一个实施例中，所述多个第三功率开关S3，S4…Sn的数量与电池组中单体电池的数量相同。

其中一个实施例中，所述均衡电路还包括二极管D0，二极管D0的阳极与第一功率开关S0的源极连接，二极管D0的阴极与第一功率开关S0的漏极连接。

其中一个实施例中，所述第一功率开关S0和二极管D0为一体成型。

其中一个实施例中，所述均衡电路还包括多个二极管D4、D5…Dm，其数量和多个第三功率开关S3，S4…Sn的数量相同，二极管D4、D5…Dm的阳极与对应的第三功率开关S3，S4…Sn的源极连接，二极管D4、D5…Dm的阴极与对应的第三功率开关S3，S4…Sn的漏极连接。

其中一个实施例中，所述第三功率开关S3，S4…Sn和与其并联的二极管D4、D5…Dm是一体成型。

其中一个实施例中，所述均衡电路还包括分别并联在第二功率开关S1、S2的源极和漏极的二极管Dx，Dy，二极管Dx，Dy的阳极与对应第二功率开关S1、S2的源极连接，二极管Dx，Dy的阴极与对应第二功率开关S1、S2的漏极连接。

其中一个实施例中，所述第二功率开关S1、S2和对应的二极管Dx，Dy为一体成型。其中一个实施例中，所述均衡电路还包括两端分别与变压器T的初级的两端连接的电容C1，以及两端分别与变压器T的次级的两端连接的电容C2

上述均衡电路的电路简单，且可以均衡电池组内任意单体电池，而不限制在只能均衡相邻的单体电池。

附图说明

图1为一实施例的电源系统的功能模块图；

图2为一实施例的均衡电路和电池组连接的电路图；

图3为另一实施例的均衡电路和电池组连接的电路图。

具体实施方式

如图1所示，其为一实施例的电源系统10的功能模块图，包括：控制模块101、驱动模块102、均衡电路103、显示模块104、检测模块105和保护电路106。

所述控制模块101通过总线与检测模块105、驱动模块102、保护电路106和显示模块104相连接。控制模块101用于通过系统总线与检测模块105交换数据，控制各模块的工作状态，从而保护电池组20不受损坏，并使单体电池处于均衡状态。

检测模块105通过总线与驱动模块102、均衡电路103和电池组20相连接。检测模块105用于检测均衡系统的工作状态、工作时的电流电压、充放电时和均衡时的电流情况。

驱动模块102输出端与均衡电路103连接，用于接收来自控制模块101和检测模块105的控制信号，控制均衡电路103中各个功率开关的开关工作状态。

均衡电路103与电池组20相连接，用于控制单体电池的充放电均衡，使单体电池电压保持一致。

保护电路106与电池组20相连接，用于响应来自控制模块101的控制信号，避免发生大电流过电流而损坏电池组20。

显示模块104用于接收来自控制模块101的控制信号，显示电池组20及单体电池工作时的温度、电流、电压、SOC等工作状态。

检测模块105包括：温度检测器、电流检测器和电压检测器。：温度检测器用于检测电池组20或单体电池的工作时的温度变化情况；电流检测器用于检测电池组20充放电时和单体电池均衡时的电流的大小和变化情况；电压检测器用于检测电池组20和单体的电压。本实施例中，所述检测模块105还用于检测驱动模块102、均衡电路103、电池组20的工作状态。

控制模块101用于根据检测模块105检测到的温度值，判断电池的温度是否在设定的工作范围内；控制模块101用于根据检测模块105检测到的充放电电流的大小计算电池组20的SOC；控制模块101用于根据检测模块105检测到的充放电时和均衡时的电流的情况，来防止发生大电流过流；控制模块101用于根据检测模块105检测到的单体电压，来判断是否需要启动均衡电路，进行单体之间的充放电动态均衡，防止单体电池过程过充和过放；控制模块101用于根据检测模块105提供的各模块的工作状态和电流变化情况判断是否开启保护电路106，保护动力电池组20不受损坏。

如图2所示，其为一实施例的均衡电路30和电池组40连接的电路图。

均衡电路30包括：反激变压器T、第一功率开关S0、两个第二功率开关S1和S2、多个第三功率开关S3，S4…Sn和三个二极管D1，D2，D3。

二极管D3的阴极和阳极分别连接变压器T的初级非同名端和初级同名端。

第一功率开关S0的源极连接变压器T的初级非同名端，漏极用于连接电池组40的正极。

第二功率开关S1的源极连接变压器T的次级同名端，第二功率开关S1的漏极以及二极管D1的阴极与多个第三功率开关S3，S4…Sn的源极连接；第二功率开关S2的漏极连接变压器T的次级非同名端；第二功率开关S2的源极用于连接电池组40中各个单体电池的负极；第三功率开关S3，S4…Sn的漏极分别用于连接电池组40中各个单体电池的正极。二极管D1的阳极与变压器T的次级非同名端连接。

二极管D2的阴极连接变压器T的次级同名端，二极管D2的阳极用于连接电池组40中各个单体电池的负极。

变压器T的初级同名端用于连接电池组40的负极。

所述多个第三功率开关S3，S4…Sn的数量与电池组40中单体电池的数量相同。所述电池组40为串联电池组。

均衡电路30的工作原理和工作过程如下：

电池组40给能量不足的单体电池补充能量时，均衡电路30能够实现将电池组40的能量给能量低的单体电池补充能量。如图2所示，具体实现过程为：假设检测到单体电池B1的电压低于设定的阈值下限时，单体电池B1的能量不足，先驱动第一功率开关S0导通，第二功率开关S1、S2断开，电池组40的能量转移并储存到反激变压器T的初级绕组。然后驱动第一功率开关S0断开，第二功率开关S1、S2、S3同时导通，储存在初级绕组的能量经过变压器T耦合到次级绕组，通过第二功率开关S1、第三功率开关S3、第二功率开关S2对单体电池B1补充能量。

均衡电路30可将电池组40中电压高的单体电池多余能量转移并储存到电电池组40中，如图2所示，具体实现过程为：假设检测到单体电池B1的电压高于设定的阈值上限时，单体电池B1的能量过多，先驱动第三功率开关S3和第二功率开关S1、S2导通，第一功率开关S0断开，此时，单体电池B1中的电流经过电池B1的正极、第三功率开关S3、第二功率开关S1、反激变压器T的次级、第二功率开关S2、电池B1的负极进行放电，单体电池B1中多余的能量经过开关第三功率开关S3和第二功率开关S1、S2转移并储存到反激变压器T的次级绕组。然后驱动第一功率开关S0导通，第三功率开关S3和第二功率开关S1、S2断开，此时储存在次级绕组的能量经过变压器T耦合到初级，通过第一功率开关S0对电池组40补充能量。

均衡电路30能够实现将电压高的单体电池多余能量给能量不足的单体电池补充能量，如图2所示，具体实现过程：假设检测到单体电池B1的电压高于设定的阈值上限，单体电池B2的电压低于设定的阈值下限时，单体电池B1的能量过多。先驱动第一功率开关S0断开，第三功率开关S3和第二功率开关S1、S2导通，此时单体电池B1中的电流经过电池B1的正极、第三功率开关S3、第二功率开关S1、反激变压器T的次级、第二功率开关S2、电池B1的负极进行放电，单体电池B1中多余的能量经过第三功率开关S3和第二功率开关S1、S2转移并储存到反激变压器T的次级绕组，再驱动第一功率开关S0、第三功率开关S3和第二功率开关S1、S2断开，此时储存在次级绕组的能量经过二极管D1、第三功率开关S4、单体电池B2、二极管D2形成充电回路，对单体电池B2补充能量。

均衡电路30能够实现电池组40中各单体电池轮流释放能量对能量不足的单体电池补充能量，如图2所示，具体实现过程：假设检测到单体电池B1的电压低于设定的阈值下限时，单体电池B1的能量不足，在第一个预设时间t内，驱动第一功率开关S0断开，第三功率开关S4和第二功率开关S1、S2导通，此时电池B2的能量通过第三功率开关S4、第二功率开关S1、变压器T的次级绕组、第二功率开关S2进行释放，转移并储存到次级绕组。预设时间t后，驱动第三功率开关S4和第二功率开关S1、S2关断，此时次级绕组储存的能量经过二极管D1、第三功率开关S3、电池B1、二极管D2、次级绕组形成的通路对电池B1补充能量。在第二个预设时间t内，驱动第三功率开关S5和第二功率开关S1、S2导通，电池B3释放能量对电池B1补充能量，如此循环，直到单体电池B1的电量符合要求为止，对于其它的单体电池的工作过程也按照上述步骤进行。实时检测单体电池的充放电的电压和电流，均衡电路30按照上述的工作原理对单体电池进行动态均衡，最终电池组40中各单体电池的电压实现均衡，维持单体电压的一致性，从而达到能量均衡的效果。

上述均衡电路30的电路简单，且可以均衡电池组40内任意单体电池，而不限制在只能均衡相邻的单体电池。

如图3所述，其为另一实施例的一实施例的均衡电路50和电池组40连接的电路图。其与上述均衡电路30的区别在于，均衡电路50还包括：两个电容C1，C2、二极管D0、多个二极管D4、D5…Dn，二极管Dx，Dy。

电容C1的两端分别与变压器T的初级的两端连接。

电容C2的两端分别与变压器T的次级的两端连接。

二极管D0并联在第一功率开关S0的两端，且二极管D0的阳极与第一功率开关S0的源极连接，二极管D0的阴极与第一功率开关S0的漏极连接。

二极管D4、D5…Dm的数量和多个第三功率开关S3，S4…Sn的数量相同。多个二极管D4、D5…Dm分别并联在多个第三功率开关S3，S4…Sn的源极和漏极，二极管D4、D5…Dm的阳极与对应的第三功率开关S3，S4…Sn的源极连接，二极管D4、D5…Dm的阴极与对应的第三功率开关S3，S4…Sn的漏极连接。

二极管Dx，Dy分别并联在第二功率开关S1、S2的源极和漏极，二极管Dx，Dy的阳极与对应第二功率开关S1、S2的源极连接，二极管Dx，Dy的阴极与对应第二功率开关S1、S2的漏极连接。

二极管D4、D5……Dm的作用是保护第三功率开关S3，S4……Sn不受高压的损害。二极管D0的作用是保护第一功率开关S0不受高压的损害。二极管Dx，Dy的作用是保护第二功率开关S1、S2不受高压的损害。

上述功率开关和与其并联的二极管可以是一体成型，如自带续流二极管的MOS管。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于：包括反激变压器T、第一功率开关S0、两个第二功率开关S1和S2、多个第三功率开关S3，S4…Sn、三个二极管D1，D2，D3，

二极管D3的阴极和阳极分别连接变压器T的初级非同名端和初级同名端；

第一功率开关S0的源极连接变压器T的初级非同名端，漏极用于连接电池组的正极；

第二功率开关S1的源极连接变压器T的次级同名端，漏极以及二极管D1的阴极与多个第三功率开关S3，S4…Sn的源极连接；第二功率开关S2的漏极连接变压器T的次级非同名端，源极用于连接电池组中各个单体电池的负极；第三功率开关S3，S4…Sn漏极用于分别连接电池组中各个单体电池的正极；二极管D1的阳极与变压器T的次级非同名端连接；

二极管D2的阴极连接变压器T的次级同名端，二极管D2的阳极用于连接电池组中各个单体电池的负极；

变压器T的初级同名端用于连接电池组的负极。

2.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述第一功率开关S0、两个第二功率开关S1和S2和多个第三功率开关S3，S4…Sn的栅极用于与外部驱动电路连接。

3.根据权利要求1所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述多个第三功率开关S3，S4…Sn的数量与电池组中单体电池的数量相同。

4.根据权利要求1所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括二极管D0，二极管D0的阳极与第一功率开关S0的源极连接，二极管D0的阴极与第一功率开关S0的漏极连接。

5.根据权利要求4所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述第一功率开关S0和二极管D0为一体成型。

6.根据权利要求1所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括多个二极管D4、D5…Dm，其数量和多个第三功率开关S3，S4…Sn的数量相同，二极管D4、D5…Dm的阳极与对应的第三功率开关S3，S4…Sn的源极连接，二极管D4、D5…Dm的阴极与对应的第三功率开关S3，S4…Sn的漏极连接。

7.根据权利要求6所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述第三功率开关S3，S4…Sn和与其并联的二极管D4、D5…Dm是一体成型。

8.根据权利要求1所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括分别并联在第二功率开关S1、S2的源极和漏极的二极管Dx，Dy，二极管Dx，Dy的阳极与对应第二功率开关S1、S2的源极连接，二极管Dx，Dy的阴极与对应第二功率开关S1、S2的漏极连接。

9.根据权利要求8所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述第二功率开关S1、S2和对应的二极管Dx，Dy为一体成型。

10.根据权利要求1所述的动力和储能电池组的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路还包括两端分别与变压器T的初级的两端连接的电容C1，以及两端分别与变压器T的次级的两端连接的电容C2。

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